Djalma Mosqueira Falcão (COPPE
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Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos nas Redes de Distribuição de Energia Elétrica Djalma M. Falcão Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição, FIRJAN, 22/05/2016 Alteração no Paradigma do Setor Elétrico Substituição das fontes tradicionais (fóssil e hidro) por fontes alternativas intermitentes (eólica e solar) Deslocamento da geração centralizada para geração distribuída Maiores requisitos de confiabilidade e qualidade Demanda gerenciada / armazenamento / veículos elétricos Maior Variabilidade Menor Previsibilidade Menor Despachabilidade D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 2 Brasil Geração Hidrelétrica • • • • Grandes projetos na Amazônia Usinas a fio d’água Sazonalidade acentuada Transmissão a longa distância (>2500 km) • Multiple DC Infeed no SE/CO Geração Eólica BM M • Concentrada no NE e S • No NE deve atingir parcela considerável da demanda Geração Solar • Ainda incipiente • Grande porte não é competitiva mas tem aparecido em leilões incentivados I • Microgeração (roof top) e minigeração têm chance de deslanchar devido ao elevado preço da energia, redução de custos e mudanças regulatórias D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 3 Desafios para Empresas de Distribuição Novas Tecnologias e Modelos de Negócios • Recursos Energéticos Distribuídos • Gerenciamento da Demanda • Eficiência Energética Questões ainda não resolvidas • Perdas Comerciais • Estrutura regulatória D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 4 Recursos Energéticos Distribuídos (RED) Micro e Minigeração Distribuída (< 5 MW) • Conectada à MT ou BT • Principalmente fotovoltaica (rooftop) Geração Distribuída (< 30 MW) • Conectada à MT ou AT • PCH, Biomassa, Eólica, Fotovoltaica, etc Armazenamento • Baterias • Usinas reversíveis, flywheel, ar comprimido, hidrogênio, etc. • Capacitores, supercapacitores, etc. Veículos Elétricos • Vehicle-to-grid (V2G) D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 5 Gestão da Demanda (GeD) e Eficência Energética (EE) Gestão da Demanda • Indispensável para sistemas com elevada participação de fontes intermitentes • Programas de resposta da demanda • Cargas controláveis • Equipamentos inteligentes • Internet das coisas (IoT) Eficiência Energética • • • • Equipamentos eficientes Edifícios inteligentes Gestão de energia Co-geração D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 6 Impacto Técnico MW Efeito do Armazenamento 0 Rampa Acentuada Carregamento de VE 0 Inversão de Fluxo 6 12 18 24 h Curva de carga original Curva de carga com alta penetração de PV Curva de carga com PV e armazenamento Curva de carga com PV, armazenamento e VE D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 7 Caso Real (Alemanha) D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 8 Impacto Técnico (cont.) Problemas Técnicos • • • • • Controle de tensão Inversão do fluxo de potência Coordenação da proteção Elevação das perdas Piora na qualidade de energia Tecnologias • • • • • • Medidores inteligentes Sistemas de comunicação Automação da distribuição Self healing Armazenamento de energia Gerenciamento da demanda D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 9 Equilíbrio Financeiro das Distribuidoras Perda de Receita Fonte D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 10 Impactos Técnicos da GD Rede de Distribuição • Carregamento dos alimentadores • Perdas • Controle de tensão • Qualidade da energia − Flutuação da tensão − Harmônicos • Proteção Sistema Interligado • Controle de frequência • Despacho de geração • Blecautes D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 11 Carregamento e Perdas GD é instalada próxima das cargas Em geral, o efeito é reduzir o carregamento e perdas Efeito é maximizado quando a GD está na própria instalação dos consumidores (Roof Top PV, cogeração, etc.) Fluxo reverso pode alterar esta situação Análise deve cobrir ciclo de carga completo No caso das perdas, análise deve incluir as 8760 h do ano D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 12 Controle de Tensão Manter a tensão dentro de limites: nominal 5% GD altera a tensão ao longo do alimentador GD intermitente (ex. PV) causa alteração imprevisível Afeta equipamentos de regulação de tensão (LTCs, reguladores de tensão, capacitores, etc.) Inversor pode ser usado para ajudar a regular a tensão Interação entre a GD e dispositivos de controle de tensão Análise no tempo com adequada modelagem de equipamentos D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 13 Confiabilidade Em sistemas de distribuição, é uma medida do número (frequência) e duração (min/h) das interrupções no fornecimento de energia aos consumidores SAIFI: System Average Interruption Frequency SAIDI: System Average Interruption Duration Index D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 14 Qualidade do Suprimento DEC no Mundo (minutos) Estados Unidos Reino Unido França Holanda Japão Singapura 214 70 53 29 6 2 Fonte: ANEEL, Informações Gerenciais, Dezembro de 2015 D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 15 Melhoria na Confiabilidade GD tem potencial para melhorar o desempenho da rede Depende de SIN Volta Redonda • Ser despachável • Possibilidade de operação ilhada P. Dutra Exemplo • Estudo de ilhamento de um alimentador com GD em caso de interrupção programada ou emergência • Simulação indica a possibilidade de religamento desde que seja implementado esquema de automação • Implementação pode melhorar consideravelmente o DEC A. de Paiva Getulandia Rio Claro 25 kV 7.5 MW 48 km ~ PCH 2 x 6.6 MW D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Lídice Slide 16 Proteção GD pode impactar os esquemas de proteção devido: • Alteração na corrente de defeito devido ao gerador (síncrono, indução, etc.) • Corrente de defeito muito pequena (gerador conectada através de inversor) • Ilhamento A conexão de GD em um alimentador exige refazer o estudo de coordenação da proteção Em alguns casos, não é possível encontrar um ajuste da proteção adequado para todas as condições operativas Esquemas de Proteção Adaptativo D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 17 Análise de Redes de Distribuição com GD A prática usual em estudos de redes de distribuição tem sido a utilização de um programa de fluxo de potência, executado em vários pontos da curva diária de carga/geração Deficiência da abordagem • Dificuldade em determinar pontos importante da curva de carga • Análise deve comtemplar “todos” os pontos da curva de carga/geração • Fluxo de potência não permite modelar aspectos cronológicos dos dispositivos de controle e proteção D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 18 Caraterísticas Modo de simulação quase-dinâmico, no qual a evolução temporal do sistema elétrico seja modelada com a precisão exigida pelo estudo Modelagem trifásica Facilidade de inclusão de novos modelos para permitir a correta representação dos mais diferentes tipos de fontes e dispositivos Representação de séries temporais de carga e geração intermitente D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 19 Tipos de Simulação Curtíssimo Prazo (ms) Desempenho de dispositivos de eletrônica de potência Curto Prazo (seg) • Estabilidade transitória interação de dispositivos de eletrônica de potência e máquinas rotativas Médio Prazo (min) • Interação da geração intermitente e dispositivos de controle lentos (LTCs, reguladores de tensão, chaveamento de banco de capacitores, etc.) Longo Prazo (horas-ano) • Contabilização do número de operações dos dispositivos de controle, das perdas, carregamento médio de alimentadores, desvios da tensão nominal, etc. D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 20 Ferramenta de Simulação Simulador para Redes Elétricas com Geração Distribuída Simulação estática e dinâmica Representação trifásica, monofásica e mista Simulação de múltiplas ilhas e microrredes Modelagem da minigeração e microgeração (fotovoltaica) e recursos de Smart Grid Produto Comercial • • Inserção de Mercado / Lote Pioneiro Trabalho conjunto envolvendo − Fundação Coppetec (Coppe) − Light S.E.S.A. − Axxiom (Light + Cemig) D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 21 Estudo de Geração de Ponta Situação • Grande cliente industrial • Conectado a um alimentador longo e de capacidade relativamente pequena • Consumidor instalou gerador para reduzir/eliminar demanda na ponta Problema • Desligamento da carga do cliente produz elevação abrupta da tensão • Reguladores de tensão ao longo do alimentador respondem de forma lenta Cliente LTC Dados • Carga (80% capacidade do alimentador) 3,5 MW (2,8 MW motores) • Gerador: 5 MVA (fp 0,8) • Reguladores de tensão ajustado para atuação em 30 / 40 / 50 segundos D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 22 Resultados Condição Atual • Rampa de carga do gerador : 15 s • Depois, desconexão da rede Ampla • Reguladores de tensão − LTC : 30 s − RT1 : 40 s − RT2 : 50 s Banda Morta 1% 5 s entre mudanças de tapes Possível Solução Rampa de carga do gerador : 90 s Depois, desconexão da rede Ampla Reguladores de tensão − LTC : 30 s − RT1 : 40 s − RT2 : 50 s Banda Morta 1% 5 s entre mudanças de tapes D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 23 Impacto no Sistema Interligado Elevada penetração da GD eleva a incerteza em relação à demanda no curto-prazo (minutos) Perturbações no sistema interligado (tensão, frequência) podem produzir o desligamento de parte da GD Desligamento em massa da GD representa aumento instantâneo da demanda tornando a emergência ainda mais severa The 50.2-Hz Risk Frequência de cuttoff dos inversores dos geradores PV na Alemanha Perturbações com elevação da frequência acima desses valores quase provocaram blecautes Necessidade de retrofit de 315.000 instalações de geração fotovoltaica D.M. Falcão – Workshop Impactos dos Recursos Energéticos Distribuídos sobre o Setor de Distribuição – Firjan – 20 de maio de 2016 Slide 24 Obrigado Djalma M. Falcão [email protected] COPPE/UFRJ Programa de Engenharia Elétrica Caixa Postal 68504 21941-972 Rio de Janeiro RJ
